Áp dụng các thanh cách dây pha bằng vật liệu composite

11/06/2024 17:23 Số lượt xem: 83

---

Bài báo này viết về việc áp dụng xây dựng các thanh cách dây pha trên đường dây trên không 400kV để truyền tải điện năng từ nguồn điện tái tạo tăng cao. Đường dây này chạy từ Trạm biến áp Beauly đến Trạm biến áp Denny North ở xứ Scotland (Vương quốc Anh), đi theo tuyến tương tự như đường dây 132kV hiện có và vượt qua khoảng 220km địa hình đồi núi phơi nhiễm gió lớn với tuyết ướt bồi tụ trên các dây dẫn trong khi đóng băng từ 75 đến 100mm đường kính.

Việc lắp đặt các thanh cách dây pha bằng vật liệu composite trên đường dây 132kV này giúp giảm thiểu các hiện tượng sóng chạy trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt này. Quyết định lắp đặt các thanh cách dây pha tương tự trên các dây dẫn pha hai bó của đường dây 400kV mới để đảm bảo độ tin cậy của mạch liên kết quan trọng này trong các hệ thống lưới điện của Công ty Scottish and Southern Energy (SSE, Vương quốc Anh).

Hình 1: Tuyến đường dây 400kV từ Trạm biến áp Beauly đến Trạm biến áp Denny North ở xứ Scotland (Ảnh st)

 

Hình 2: Lắp đặt các thanh cách dây pha trên đường dây mới (Ảnh st)

Sóng chạy dây dẫn trong điều kiện gió, băng và tuyết

Sóng chạy là hiện tượng dao động có biên độ lớn, tần số thấp, do gió gây ra của các đường dây trên không. Trong hầu hết các trường hợp, có sự bồi tụ băng trên dây dẫn làm thay đổi hình dạng mặt cắt ngang bình thường khiến nó trở nên không ổn định về mặt khí động học. Các biên độ chủ yếu theo chiều dọc và thường nằm trong khoảng từ +0,1 đến 1,0 lần độ võng của khoảng cột trong khi tần số thường nằm trong khoảng từ 0,15 đến 1,0Hz. Gió dẫn động có thể thay đổi trong khoảng từ 8 đến 72km/h tạo thành một góc từ 10^o đến 90^o so với đường dây và có thể không ổn định về vận tốc cũng như hướng gió.

Các loại băng và tuyết có thể bồi tụ trên các dây dẫn trên không là sương muối, băng đá, sương giá, tuyết khô và tuyết ướt. Sương muối là dạng đóng băng trong đám mây, nơi các giọt nước đóng băng dưới điểm 0^oC va chạm và sau đó đóng băng trên chất nền. Băng đá có thể kết tủa hoặc hình thành trong đám mây khi thời gian đóng băng của giọt đủ dài để cho phép một màng nước hình thành trên bề mặt bồi tụ. Quan sát sự bồi tụ tuyết ướt cho thấy khi nhiệt độ không khí nằm trong khoảng từ 0°C đến 3°C và có thể xảy ra dưới bất kỳ tốc độ gió nào. Các công ty điện lực Canađa báo cáo trong một cuộc khảo sát trước đây về các dạng băng bồi tụ khác nhau trên các dây dẫn sóng chạy.

Các nghiên cứu phân tích và thử nghiệm về sóng chạy so với các loại bồi tụ khác thường cân nhắc nhiều hơn băng đá bồi tụ trên các dây dẫn trên không . Các lớp băng đá mỏng trên dây dẫn có hình tròn (xem Hình 3).

Hình 3: Băng đá trên dây dẫn (Ảnh st)

Các phân đoạn trên cao của tuyến đường dây Beauly-Denny, nơi trước đây từng xảy ra hiện tượng sóng chạy trên đường dây 132kV hiện có, đã từng có tuyết ướt và băng sương muối bồi tụ. Băng sương muối không tạo ra hình dạng dây dẫn dễ bị sóng chạy. Tuy nhiên, tuyết ướt do gió tạo ra trên các mặt đón gió của dây dẫn tạo thành một lớp lắng cứng, bám chặt với cạnh có đầu nhọn (xem Hình 4) rất không ổn định về mặt khí động học. Các dây dẫn bó đặc biệt dễ bị tổn thương trong vấn đề này vì độ bền xoắn cao của chúng ngăn chặn trọng lượng tuyết bồi tụ làm xoắn dây dẫn để giảm sự tập trung của chất bồi tụ vào cạnh sắc đón gió. Hình dạng của băng và tuyết bồi tụ từ đó ảnh hưởng đến chuyển động sóng chạy của dây dẫn.

Hình 4: Tuyết ướt trên dây dẫn (Ảnh st)

Tiên đoán chuyển động của sóng chạy dây dẫn

Kiến thức về chuyển động của dây dẫn sóng chạy chủ yếu đến từ quan sát thực địa và các hướng dẫn hữu ích về cách quan sát và ghi lại các sự kiện sóng chạy đã xảy ra. Chúng bao gồm định dạng báo cáo cũng như hướng dẫn cách chụp ảnh và quay video. Việc ghi lại đồ thị chuyển động bằng nhiều bức ảnh của các dây dẫn sóng chạy với băng đá cho thấy hầu hết là chuyển động dọc. Một đường bao (sóng chạy) xung quanh các điểm được ghi có hình elip (xem Hình 5).

Hình 5: Tỷ lệ theo chiều dọc và chiều ngang (Ảnh st)

Việc tính các hình elip Lissajous có thể áp dụng cho các dây dẫn có băng đá ở các khu vực mở tương đối bằng phẳng.

Quan sát thực địa về sóng chạy đối với các dây dẫn phủ băng đá đã được sử dụng ở đây thay vì tính toán và tiên đoán biên độ sóng chạy từ đỉnh đến đỉnh là 10m cho đường dây mới.

Đường bao sóng chạy cũng được thay đổi thành hình tròn. Các nghiên cứu về đường hầm gió trên các dây dẫn có băng đá so với các lớp bồi tụ tuyết ướt đã cho thấy mặt cắt tuyết ướt không ổn định về mặt khí động học hơn và năng lượng gió truyền đến dây dẫn nhiều hơn. Hơn nữa, tuyết ướt sóng chạy xuất hiện trong nhiều điều kiện gió khác nhau. Ví dụ, các nghiên cứu sóng chạy trên các dây dẫn bó có tuyết ướt ở Nhật Bản cho thấy chuyển động ngang lớn (xem Hình 6) và hỗ trợ sử dụng một đường bao sóng chạy hình tròn như vậy.

Hình 6: Chuyển động ngang với tuyết ướt (Ảnh st)

Các đường bao sóng chạy hình tròn tuyết ướt dành cho đường dây 400kV mới sẽ chồng lên nhau nếu không sử dụng các thanh cách dây pha (xem Hình 7). Ngoài ra, chuyển động ngang với tuyết ướt sẽ chỉ làm tăng sự chồng chéo này.

Hình 7: Đường bao sóng chạy chồng lên nhau trên đường dây 400kV mới (Ảnh st)

Sự phân tách đường bao sóng chạy cần thiết dựa trên điện áp dẫn đến phóng điện bề mặt giữa các pha hoặc giữa pha và đất (xem Hình 8).

Hình 8: Yêu cầu phân cách đường bao (Ảnh st)

Khoảng cách đường bao để tránh phóng điện bề mặt ở 400kV được nội suy là 1,3m pha-pha và 0,9m pha-đất.

Tác động tiềm tàng của sóng chạy dây dẫn

Chuyển động của các dây dẫn như trong sóng chạy có thể dẫn đến:

1. tiếp xúc giữa các dây dẫn pha hoặc giữa các dây dẫn pha với các dây chống sét trên không, dẫn đến mất điện và cháy dây dẫn;

2. sự cố dây dẫn tại điểm đỡ do ứng suất căng quá mức do sóng chạy gây ra;

3. có thể gây hư hại về cấu trúc; và

4. độ võng quá mức do dây dẫn chịu ứng suất quá lớn.

Các tải trọng do sóng chạy theo chiều dọc trên các kết cấu treo có thể gấp 2 lần các tải trọng tĩnh theo chiều dọc từ các dây dẫn phủ băng trong khi các tải trọng do sóng chạy theo chiều ngang trên các kết cấu ngàm và dây dẫn có thể gấp 2,8 lần các tải trọng kéo liên quan đến băng tĩnh. Do đó, độ bền mỏi của cấu trúc và dây dẫn, không phải độ bền tĩnh, phải được cân nhắc dưới sóng chạy. Việc áp dụng các thanh cách dây pha sẽ làm giảm các tải trọng động theo tỷ lệ với bình phương biên độ chuyển động.

Giảm nhẹ sóng chạy dây dẫn

Việc sử dụng các thanh cách dây pha là giải pháp hiệu quả nhất về mặt chi phí để giảm biên độ sóng chạy. Ví dụ: việc rút ngắn khoảng cột sẽ làm giảm biên độ nhưng trong một số trường hợp, độ dài khoảng cột dự kiến ​​sẽ cần rút ngắn 50%, do đó cần có thêm trụ điện. Tùy chọn tăng khoảng cách pha dọc cũng đã được cân nhắc. Nhưng các nghiên cứu về độ căng dây dẫn so với biên độ sóng chạy chỉ ra rằng sự thay đổi lực căng sẽ không làm giảm thỏa đáng biên độ sóng chạy trong trường hợp của đường dây mới này.

Hình 9: Lắp đặt các thanh cách dây pha giữa các dây dẫn pha của đường dây 400kV mới (Ảnh st)

Hiệu quả của việc áp dụng các thanh cách dây pha cũng đã được khẳng định không chỉ bằng kinh nghiệm với Đường dây truyền tải Beauly-Denny 132kV hiện có mà còn bằng kết quả từ Khảo sát thanh cách dây pha quốc tế do Hiệp hội quốc tế các Hệ thống điện lớn (CIGRE) thực hiện.

Hình 10: Ảnh hưởng của các thanh cách dây pha đến biên độ/độ võng sóng chạy từ đỉnh đến đỉnh (Ảnh st)

Việc ghi lại các quan sát hiện trường cũng đã xác nhận chuyển động sóng chạy giảm đi nếu lắp đặt các thanh cách dây pha (xem Hình 10). Sau đó, việc sử dụng dữ liệu này nhằm để tiên đoán biên độ sóng chạy giảm 50% khi áp dụng các thanh cách dây pha trên các dây dẫn pha của đường dây 400kV mới. Giảm bớt đường bao sóng chạy hình tròn giúp tạo ra sự tách biệt cần thiết giữa các đường bao này để ngăn ngừa phóng điện bề mặt giữa các dây dẫn pha (xem Hình 11).

Hình 11: Giảm bớt đường bao sóng chạy bằng các thanh cách dây pha trên đường dây 400kV mới (Ảnh st)

Những cân nhắc về khoảng cột cho sóng chạy dây dẫn

Các khoảng cột treo và các khoảng cột cuối trên đường dây mới sẽ sử dụng các thanh cách dây pha. Sóng chạy trong các khoảng cột treo có thể kết hợp với các khoảng cột liền kề khi các vật cách điện treo lắc lư trong khi các khoảng cột cuối trên tuyến mới sẽ không kết hợp với các khoảng cột liền kề. Vị trí của biên độ sóng chạy tối đa thay đổi theo độ dài khoảng cột đối với các hình dạng phổ biến của chế độ sóng chạy (xem Hình 12).

Hình 12: Các hình dạng chế độ sóng chạy phổ biến (Ảnh st)

Các thử nghiệm hiện trường đối với các dây dẫn bó ở Nhật Bản cho thấy rằng sóng chạy trong các khoảng cột ngàm hai đầu thường là chế độ dao động hai vòng. Hơn nữa, các bó có biên độ sóng chạy lớn khi các dao động xoắn và theo chiều dọc cùng pha.

Hình 13: Bố trí các thanh cách dây pha (Ảnh st)

Đường dây mới sử dụng bốn thanh cách dây pha trên mỗi khoảng cột (xem Hình 13) để duy trì khoảng cách dây dẫn cần thiết trong quá trình sóng chạy ở chế độ hỗn hợp được quan sát tại hiện trường, với các pha trên và dưới có sóng chạy vòng đơn và pha giữa có sóng chạy hai vòng lặp (xem Hình 14).

Hình 14: Khoảng cách dây dẫn trong sóng chạy chế độ hỗn hợp chỉ sử dụng hai thanh cách dây pha trên mỗi khoảng cột (Ảnh st)

Thiết kế thanh cách dây pha

Các thanh cách dây pha cho đường dây mới được thiết kế với các khớp bản lề cho khoảng cách giữa các dây dẫn pha từ 8,5 đến 10m. Việc sử dụng thiết kế bản lề trong nhiều năm cho các thanh cách dây pha dài để ngăn vật cách điện bị uốn cong quá mức (xem Hình 15). Các thanh cách dây pha không cần phải cản trở các dây dẫn chuyển động cùng nhau. Đúng hơn, chúng có tác dụng giảm biên độ sóng chạy tối đa trong khoảng cột bằng cách ngăn các dây dẫn pha dịch chuyển ra xa nhau tại các vị trí lắp đặt.

Các thanh cách dây pha này (xem Hình 16) sử dụng vật cách điện composite có trọng lượng nhẹ, không giòn và có độ bền cơ học 120kN (SML). Hơn nữa, vỏ cao su silicon của nó có tính kỵ nước tuyệt vời, khiến nó phù hợp ngay cả trong môi trường ô nhiễm cao. Ngoài ra, để đảm bảo độ tin cậy của đường dây quan trọng này, các phụ kiện đầu nối bằng thép rèn mạ kẽm tuân thủ Charpy đối với tải trọng tác động ở nhiệt độ lạnh.

Hình 15: Áp dụng thanh cách dây pha polyme có bản lề trên các đường dây truyền tải ở tỉnh Alberta, Canađa (Ảnh st)

Các đặc tính điện của các thanh cách dây pha dựa trên điện áp đường dây hoặc pha-pha và trong trường hợp này được trang bị các vòng phóng điện vầng quang ở cả hai đầu. Cấp cách điện cơ bản (BIL) thanh cách dây pha bằng 1,2 lần BIL hệ thống. Các kết nối vòng đệm hai bó và cả ở các vị trí khớp nối do thanh cách dây pha sử dụng các đai liên kết linh hoạt có thể nén và kéo giãn luân phiên do chuyển động của dây dẫn. Ngoài ra, các vòng đệm hai bó cho dây dẫn đôi “Araurcaria” đường kính 37,26mm sử dụng các vòng đệm cao su bán dẫn.

Xác nhận thiết kế thanh cách dây pha đường dây 400kV

Thử nghiệm điện của các thanh cách dây pha này bao gồm xung sét khô (Hình 16), xung đóng cắt ướt (Hình 17) cũng như các thử nghiệm tiếng ồn điện áp nhiễu sóng rađio (RIV) và khả năng dập tắt phóng điện vầng quang (Hình 18), theo cả tiêu chuẩn CSA và IEC. Trong trường hợp áp dụng, các thử nghiệm này lắp đặt thanh cách. Thanh cách 2 bó cũng đã được thử nghiệm theo tiêu chuẩn IEC 61854 và các quy định kỹ thuật của người dùng. Đánh giá tính năng cũng bao gồm độ trượt dọc của dây dẫn trong kẹp và độ lõm của các sợi dây dẫn bên ngoài khi siết chặt kẹp. Việc đo điện trở của các vòng đệm cao su dùng trong kẹp giúp đảm bảo chúng có tính chất bán dẫn.

Hình 16: Thử nghiệm xung sét khô (Ảnh st)

Hình 17: Thử nghiệm xung đóng cắt ướt (Ảnh st)

 

Hình 18: Thử nghiệm dập tắt phóng điện vầng quang (Ảnh st)

Lắp đặt thanh cách dây pha

Việc phát triển bao bì phù hợp giúp hỗ trợ và bảo vệ các thanh cách dây pha trong quá trình vận chuyển. Tiêu chuẩn IEEE 987, Hướng dẫn ứng dụng các vật cách điện composite điện áp cao cho các đường dây điện trên không, đề cập đến việc làm sạch, nâng chuyển và đóng gói các vật cách điện composite. Các đường dây không mang điện hoặc sử dụng các phương pháp làm việc trên đường dây mang điện khác nhau có thể lắp đặt các thanh cách dây pha (Hình 19).

Hình 19: Lắp đặt các thanh cách dây pha (Ảnh st)

Các ứng dụng thanh cách dây pha khác

Việc sử dụng các thanh cách dây pha trên các đường dây phân phối cũng như trên các đường dây truyền tải dây dẫn đơn hoặc bó. Vai trò của chúng là làm giảm chuyển động của dây dẫn khi gió tạo ra sóng chạy theo chiều dọc hoặc đung đưa theo chiều ngang hoặc bất cứ khi nào tuyết rơi khỏi dây dẫn phía dưới khiến nó văng lên dây dẫn phía trên. Chuyển động dây dẫn giảm thấp cho phép giảm khoảng cách pha, do đó làm giảm chiều cao kết cấu cũng như chiều rộng hành lang truyền tải cần thiết. Có thể cung cấp các thanh cách dây pha thậm chí với chốt xoay để cho phép điều chỉnh độ dài đối với khoảng cách pha khác nhau.

Tóm tắt

Kinh nghiệm với đường dây truyền tải 132kV hiện có cho thấy tuyết ướt có nhiều khả năng sẽ tích tụ trên các bó dây dẫn của Đường dây truyền tải 400kV Beauly-Denny mới. Kết hợp với gió lớn, điều này chắc chắn sẽ gây ra hiện tượng sóng chạy. Mô hình hóa hiện tượng bồi tụ tuyết ướt sử dụng các đường bao sóng chạy hình tròn. Việc thiết kế các thanh cách dây pha vật cách điện composite cho dự án này nhằm duy trì khoảng cách cần thiết giữa các dây dẫn pha trong các sự kiện sóng chạy.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “inmr”, tháng 3/2024